参数化快速设计（精选十篇）
参数化快速设计 篇1
岩心钻机是地质勘探行业中的关键设备, 主要用于金属及非金属固体矿产的普查与勘探。岩心钻机的设计与制造对工程地质勘探行业具有重要影响。液压卡盘是钻机的一个独立重要部件, 其功用是夹紧机上钻杆, 向钻杆传递转矩和轴向力, 驱动钻具实现加减压钻进, 悬吊和提动钻具以及处理事故时的辅助动作。卡盘工作条件恶劣, 必须承受最大的轴向载荷和回转力矩, 而且动作频繁。因此, 卡盘的性能直接影响钻进的效率与质量[1]。
目前, 钻机制造企业和一些相关高校均在钻机液压卡盘的设计计算上进行了一些探索。例如, 周亚军对大碟簧卡瓦式自定心液压卡盘的工作原理及参数设计进行了探讨[2];刘卫亮对液压卡盘中不同齿面的卡瓦对钻机钻杆夹紧力的影响也进行了深入的探讨[3];魏静应用SW/Simulation有限元分析模块对制动闸碟形弹簧进行了受力分析[4]。这些企业在设计过程中, 虽然采用了CAD软件系统从事新品开发设计, 但面对同类型液压卡盘之间存在的结构相似零部件时, 设计人员仍会出现重复性设计工作。另一方面, 技术员工在设计过程中的经验并不能及时进行共享, 使企业呈现出零散性、无体系等缺点, 从而过多地依赖技术员工的知识与经验。
现有的CAD软件并不能充分满足企业的需求, 故需要将企业设计过程中使用到的工程制造技术与可执行知识工作任务的智能软件系统相结合, 开发一款针对岩心钻机关键部件——动力头液压卡盘的参数化设计与计算工具, 以有效帮助技术人员在设计过程中将思考方式体现在软件系统中, 从而大大提高液压卡盘的设计效率。
1 卡盘主体结构参数化设计
液压卡盘主要由油缸、卡瓦、圆螺母、卡圈等零件和标准件组成。由于液压卡盘基本模块都是比较固定的零部件, 可以在三维建模过程中通过参数设置和零部件装配关系来约束模型的结构尺寸。在进行液压卡盘参数化计算过程中, 主要包括基本参数的确定, 斜面增力机构的设计, 卡瓦类型的选择以及碟形弹簧、液压缸等主要零件的设计与选取。通过上述几步的计算, 得出需求参数与最终碟形弹簧受力校核时的影响关系, 并利用这个计算关系对卡盘设计进行修正, 得到最终的卡盘模型, 基本流程如图1所示。
1.1 基本参数确定
基本参数的确定主要是给出具体工况 (最大上顶力、最大加压给进力和回转器低速输出转矩) 后, 通过需求参数算出卡盘承受的最大载荷Pmax和卡瓦对钻杆等效夹紧力Q。最大载荷Pmax为正常钻进和强力起拔两种工况中的较大值, 而卡瓦对钻杆的夹紧力Q的计算公式为:
其中μ0是卡瓦与钻杆间的摩擦系数, 由卡瓦齿的类型决定。
1.2 斜面增力机构设计
斜面增力机构主要用来将力增大, 并从动力装置传给夹紧元件, 使夹紧元件加紧钻杆, 实现钻进或起拔, 如图2所示。
为计算总轴向力F与等效加紧力Q之间的关系, 对图2所示的斜面增力机构建立力平衡方程式。
对卡圈:
对卡瓦:
其中, Fi为碟形弹簧对单个卡瓦的弹力分力, Fi=F/Z;Qi为单个卡瓦对钻杆的夹紧力, Qi=Q/Z;T为卡瓦座对卡瓦的支撑力;N为卡圈与卡瓦间的正压力;f1为卡圈与卡瓦间的摩擦力, f1=µ1N;F2为卡瓦与卡瓦座间的摩擦力, f2=µ2N;R为支撑套对卡圈的支持力。
对上述的方程组进行联立, 可得碟形弹簧对整组卡瓦的弹力分力为:
μ1、μ2分别为卡圈与卡瓦间摩擦系数和卡瓦与卡瓦座间摩擦系数。斜面增力机构设计中, 卡瓦斜面角是主要设计参数。由式 (6) 可以看出, 角的减小会使卡盘所需的弹簧弹力减小, 但会使卡圈的纵向行程加大。考虑到加紧机构的自锁性能, 角又不可过小。通常, 在取值范围间, 建议取大值。
1.3 碟形弹簧的选择与校核
因碟形弹簧具有刚度大、可组合的特点, 故常用于载荷作用距离有限、需提供的负载较大的场合, 如较多应用于常闭式液压卡盘中。碟形弹簧的设计与计算主要是根据载荷、变形量设计要求、导杆直径 (内导向) 及导套直径 (外导向) 进行计算。
(1) 根据已知的碟形弹簧所需的载荷F、夹紧钻杆时的总变形量fz与卡盘结构对碟簧内、外径的限制, 对碟形弹簧的型号与组合形式进行选择;
(2) 算出碟形弹簧压平时的载荷Fc, 根据算出的夹紧钻杆所需的弹簧弹力与压平碟簧时的弹力载荷比F/Fc, 查阅国标获得夹紧钻杆时的碟簧变形量f;
(3) 由夹紧钻杆时碟簧总变形量fz和单片碟簧变形量f, 求得液压卡盘所需的碟簧片数。为限制碟簧在压缩过程中超过最大变形量, 在对合碟簧间加入垫片。
碟形弹簧是液压卡盘设计的关键, 在设计和制造过程上都不能出现问题, 否则液压卡盘不可靠将会严重影响钻机的正常工作。为验证碟簧在承受最大载荷时不失效, 应使其通过中性径应力σOM的校验:
其中, E为材料的弹性模量, μ为泊松比, t为弹簧厚度, K1、K4分别为计算系数, 根据碟形弹簧国标计算公式可查。
2 SW Simulation模块的二次开发
Solid Works Simulation模块是基于有限元方法的设计分析软件。通过预测不同工况下零部件的应力应变情况, 工程师可以在零部件加工前对其进行优化设计。Simulation同样对用户开放了二次开发的接口, 用户可以利用自己熟知的编程语言对Simulation模块进行二次开发, 从而设计出专有的自动分析算例。
Simulation模块二次开发过程中, 主要难点为对非特征面 (SW生成的面) 的自动选取。Solid Works官方帮助文档给出的方法是通过大量的位置坐标来定位特殊面。开发人员也可通过鼠标选中, 然后获取Selection Manager的信息来获取选中的面。显然, 上述方法均不适合自动选取、快速分析的需求。本文提出利用“面属性”的方法来选取特殊面:一般在对关键零件进行分析的过程中, 受力与束缚条件已经确定, 工程师只需在Solid Works中对特殊面的“面属性”进行命名。当需要选取特殊面时, 只需对零件Body对象 (Solid Works中用于描述几何数据的对象) 的面进行遍历, 通过面名即可获得特殊面。
本文对Solid Works Simulation模块进行二次开发, 提出了一种面向关键零件进行快速分析的方法, 其开发流程如图3所示。
(1) 在装配体文档中打开所要分析的零件, 创建一个新的Simulation分析实例, 对所要分析的零件指定材料;
(2) 操作零件的Body对象, 对零件体对象包含的所有的面进行遍历;
(3) 根据“面属性”找到建模过程指定的受力面与约束面;
(4) 对约束面进行相应约束, 对受力面施加载荷;
(5) 对模型进行网格划分;
(6) 执行分析算例, 得到零件此时的受力分析结果。
3 系统实现与实例验证
本文应用VB.net语言, 在三维建模软件Solid Works上进行二次开发, 实现了钻机液压卡盘的参数化设计与计算, 并在企业某型号钻机动力头液压卡盘的设计过程中得以应用。具体应用流程为:
(1) 在Solid Works软件中, 以建好的卡盘模型作为基础, 用方程式驱动尺寸信息。
(2) 将已知的需求参数输入到系统中, 得出所需的碟簧力, 并选择合适的碟簧型号, 如图4所示。
(3) 对选定的碟簧使用一键校核功能模块进行验证, 如图5、图6所示。
(4) 模型符合要求后, 将模型与相关的文档导入企业的产品信息管理系统中。
图5为碟簧分析校核前的条件设置界面。完成碟簧材料、网格等属性的设置后, 点击“碟簧一键分析”, 得到碟簧应力分析的结果, 如图6所示。
根据国标规定, 对于材料为60Si2Mn A的碟簧, 屈服极限。先用参数化计算模块对液压卡盘基础模型进行计算验证, 根据公式 (7) 计算出来的超过了1600MPa。现为保证碟簧不失效, 应在对合碟簧间加入垫片, 以避免碟簧被压平。也可通过公式 (7) 反求碟簧形变量, 从而确定垫片的厚度。具体计算数据如表1所示。
4 结论
本文在对液压卡盘参数化设计计算相关公式进行总结后, 用VB.net对Solid Works进行二次开发, 设计了一款针对钻机液压卡盘的计算系统, 并综合使用Solid Works Simulation模块, 对卡盘碟簧进行快速分析, 验证参数化计算结果, 提高了工程师的设计效率。
与专业CAE软件相比, Simulation模块在细节设置方面仍有一定的差距。比如, 网格划分的类型、接触类型等问题, 结果误差也会差一些。但就工程问题来讲, 一般情况下安全系数取值较大, 对分析仿真上的细节问题并不做过高要求, Simulation的分析结果足以满足要求。此外, Solidworks Simulation模块与Solidworks兼容性好, 学习使用简单, 一般的工程技术人员就可对产品进行简单分析, 并快速得到相应的计算、分析结果。
参考文献
[1]冯德强.钻机设计[M].北京:中国地质大学出版社, 1993.
[2]周亚军.液压卡盘的工作原理及主要参数[J].地质装备, 2011, (1) :17-18.
[3]刘卫亮.不同齿面卡瓦对钻机夹紧力的影响探讨[J].矿业安全与环保, 2007, (1) :81-83.
标准电子机箱的参数化设计 篇2
【关键词】结构设计；顶层参数；参数化设计；表达式链接
Product Electrical System Design Automation
【Abstract】According to the different types of topological structure similar case,by different stylist design,dynamic,and old duplicated error probability and could cut a repeated the same mistake.And after cutting sometimes parts processing,appear unable to assembly needs to repair to use,the serious influence product development cycles,thus the enterprise competitive power decrease.Through 1/2ATR and 3/4ATR size of box/structural parameter technology research,built chassis parametric design system,and experience,with test satisfactory results have been obtained.Make this kind of product design,built good and trees become public resources system reusable,make a design and production efficiency is greatly increased.
【Key words】Struture design;The level parameter;Parametric design;Expression links
0.概述
计算机辅助设计（CAD）技术是现代设计的必备工具，在国内外企业中得到了越来越多的应用。然而，虽然现有的CAD技术应用已经在很大程度上改变了传统的设计理念，但大多数企业并未实现真正意义上的参数化设计。只有真正意义的参数化设计，才能使得产品设计周期大大缩短，设计成本大幅度降低。参数化设计技术作为一项先进的技术必将得到越来越多的应用。
对于具有相似拓扑结构的光机结构产品，只是为适应市场需求，尺寸和布局发生了变化，如箱体类、轴系类等等零件及装配都可以进行结构的参数化设计。针对不同的设计需求，依靠该结构的全局设计参数，快速自动完成整个结构部件设计。本文可用大型三维结构设计软件-UG5.0软件中CAD部分的Modeling、Assembly和Drafting模块进行标准密封机箱的参数化设计研究。
UG是一套功能强大的三维CAD/CAM/CAE软件系统，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成产品的全过程。其应用范围涉及机械、航空航天、汽车、造船、通用机械、医疗器械和电子等诸多领域。
本文对标准密封机箱的参数化设计及应用情况进行论述[1]~[12]。
1.参数化模型的建立
机箱参数化模型的建立主要包括以下内容：零件及装配模型的设计及机箱参数化模型的测试。
1.1设计工作主要内容
参数化模型的设计工作，需对建立的模型进行反复的测试与反复修改模型及表达式，主要设计内容包括以下方面。
顶层表达式的建立
首先需要确定机箱的顶层设计参数，因顶层设计参数是全局设计变量，参数化模型就是用全局设计变量来驱动模型的变化。机箱的设计输入即为全局设计变量。
图一 顶层表达式的建立
对于机箱来说，设计输入为机箱的外形尺寸，每块电路板的厚度，每块电路板上冷板厚度，电路板间距，机上安装孔间距等等，这些设计输入都是作为顶层参数来建立顶层表达式。建立的顶层参数的表达式如图一所示。
机箱参数化建模方式
机箱采用自上而下和自下而上相结合的方式进行建模。自上而下建立模型，即先建装配，再在装配中建立零件模型；自下而上建模，即零件模型建好后，再装配在一起。根据机箱的总体外形尺寸，在装配粗略建立机箱的前面板、侧板、上盖板、下盖板等零件的外形尺寸，然后再分别对零件进行详细设计。
1/2ATR和3/4ATR两种尺寸机箱装配参数化模型建立
根据GJB 441-1988电子设备机箱、安装架的安装形式和基本尺寸等标准来分别建立两种尺寸机箱。
1/2ATR机箱的外形尺寸为：宽和高分别为：194mm和124mm，长度根据实际情况来定。外形尺寸如图二所示：
图二 1/2ATR机箱外形结构尺寸
3/4ATR机箱的外形尺寸为：宽和高分别为190.5mm和194mm，长度根据实际情况来定。外形尺寸如图三所示：
图三 3/4ATR机箱结构外形尺寸
参数化零件及装配设计
机箱零件主要包括两种：加工件和标准件。加工件设计，主要就是表达式的设计，特征的表达式用顶层参数来表达。如后面板的设计，表达式如下：
backboard_W=150.5；
backboard_H=H-T3-T4；
backboard_T=2；
后面板的长、宽、厚都和顶层参数H（机箱总高）、T3（上盖厚度）、T4（底板厚度）相关联。
标准件设计，主要指螺钉等紧固件和插头、插座、指示灯、风机、滤波器等电子元器件和一些外形尺寸固定下来的零部件如搭铁线等，这些都可直接在PDM系统中选取用到装配中。
机箱零件之间表达式的链接
每个零件设计完成后，零件的特征设计用顶层参数来表示，并通过表达式的层层链接，才能实现顶层参数驱动零件的变化。表达式之间的链接如图四所示：
图四 表达式的链接
1.2参数化设计难点及解决措施
1.2.1组合加工件的加工余量及组合加工特征
箱体是整个机箱中的核心部件，箱体就是组合加工件。构成组合加工的零件在设计零件时必须留余量，而在组合加工件中零件尺寸为最终尺寸。还有工艺孔在零件中没有，而组合件中需要。就要考虑零件外形和组合装配中零件外形特征的关系。因此，组合件中就要建立新的特征。
在进行组合零件设计时，通常的方法是在装配中对零件进行提升进行布尔运算后设计新的特征，在以后应用用这种方法建立的模型时往往有无法解决的问题，即箱体无法被顶层参数所驱动，因此机箱的参数化设计就无法正常实现。
解决措施：在装配中不用传统使用的零件提升的方法，而是用装配切割的方法进行建模。首先在装配中建立任意一个特征，用装配切割的方法去切每个零件，然后进行布尔运算，并把装配中所建特征放在不可见图层中，这样组合加工件就可被顶层参数驱动，实现真正的参数化建模。
1.2.2表达式之间的链接关系
参数化设计需要经过很多反复测试和修改的过程。如果模型有问题就要能很快找出问题所在。模型的修改主要是表达式的修改，如果表达式之间的链接混乱，装配中修改顶层参数，部分零部件无法更改，很难查清楚问题所在。
解决措施：每个零部件表达式和它的父部件建立链接，不可同级链接，也不可越级链接，这样的链接关系清晰，设计中出现的问题很快就能找到。
2.测试
参数化机箱模型建成后，可能会有很多建模过程中没有发现的问题。因此，测试是参数化建模不可缺少的一个过程。测试时，需要对各个顶层参数分别进行修改，来测试模型的正确性，并进行反复修改模型，使机箱总装配最终达到通过任何顶层参数驱动都不出现问题。
2.1设计要求
以某机箱为例对参数化设计系统进行测试。该机箱的尺寸参数、设计要求如下：
机箱要求外形尺寸。
机箱长度。
电路板内安装电路板数量。
电路板上插头、插座型号。
板间距及板子排布顺序。
接口尺寸。
每塊电路板的厚度。
每块电路板上安装冷板（或冷板条）厚度。
前面板布局。
2.2测试过程
机箱的可变参数有：机箱长度、电路板间距、电路板厚度、电路板上所装冷板（或冷板条）厚度等等。通过改变这些参数，就可快速改变机箱的三维设计。
测试过程如下：
更改顶层设计参数：先改变机箱长度尺寸为需要的尺寸。
更新三维装配设计模型。
编辑机箱中电路板数量：使电路板数量为实际设计要求的数量，并使插头插座和设计要求相符。
更改每块板子的属性（如名称等等）。
使每块板子的表达式和相应零部件的表达式建立链接关系。
在顶层更改板间距表达式值，使之与设计输入一致。
更新三维装配设计模型。
更改顶层电路板的板子厚度、冷板厚度表达式值，使之与设计输入一致。
更新三维装配设计模型。
3.参数化模型的使用
参数化机箱设计系统建好以后，可以用此系统模型来进行新的机箱的设计。如设计一个新的1/2ATR机箱，就先选用建好的1/2ATR机箱模型，先克隆出一个新的机箱，根据新机箱的实际长度，电路板厚度、冷板厚度、电路板数量及间距，来修改顶层参数，由新的参数驱动生成新的机箱，这是直接可用部分。
需要新做的工作就是，每个机箱前面板上安装的电子元器件不同，前面板需重新设计新的元器件的安装位置，而且前面板上元器件要重新装配。电路板上如果使用的插座有所变动，需更换电路板和母板上的插头和插座。
经过在具体产品中的应用，证明该项研究大幅提高了设计效率，单一任务的设计时间由原来的10天左右，缩短到2天左右。
4.结论
参数化模型经过反复的测试和修改，建成了两种标准尺寸的机载电子组件参数化设计系统。
1/2ATR和3/4ATR标准钎焊机箱参数化结构设计系统通过在实际设计中的使用，说明参数化设计系统合理，表达式及其链接关系符合设计要求。对两种参数化设计系统的测试合格。系统使用正常。
通过使用机箱参数化设计系统进行实际产品设计可以发现，产品用传统方法进行设计需要10天时间，用参数化模型设计两天就可完成，设计效率提高了5倍。而且设计差错率也大大减少，从而产品设计及生产周期大大降低。该项研究的成功应用，也为其它成熟零件及部件的模块化设计奠定了基础。该项技术研究对增强产品核心竞争力，具有非常重要的意义。
【参考文献】
［１］洪如瑾编著,陈焱审校.UG CAD快速入门指导.清华大学出版社.
［２］[美]Unigraphics Solutions Inc编著,洪如瑾翻译,王刚审校.UG WAVE产品设计技术培训教程.清华大学出版社.
［３］龚勉,唐海翔,赵波,陈向军等编著,洪如瑾审校.UG CAD应用案例集（NX版）.清华大学出版社.
［４］GJB441机载电子设备机箱、安装架的安装形式和基本尺寸.
［５］Q/13S 1103-2005 标准机箱印制线路板结构外形尺寸与安装布局.
［６］章兆亮编著.UG NX5.0宝典.电子工业出版社.
［７］杨安春,高新红.UG NX5中文版软件速通与实训手册.
［８］张晓红,刘建潮.UG软件应用.武汉大学出版社.
［９］赵波,陈向军编著,洪如瑾审校.UG NX4相关参数化设计培训教程.清华大学出版社.
［１０］基于UG的CAD/CAM技术.清华大学出版社.
［１１］UG NX系统应用技巧.清华大学出版社.
齿轮轴参数化设计 篇3
在本例中, 采用Aceess数据库建立齿轮轴的参数表, 表中分为5个类型A-E, 分别代表1~5阶, 轴长、半径、键槽所在轴由数据库自动调入, 或由界面输入。
轴的键槽结构尺寸要同键完全匹配, 除了考虑实际需求之外, 还须严格遵守国家标准, 系统专门设置了相关的检测功能, 根据所在轴段的参数来验证是否合法。本参数化共分为两部分, 既可实现阶梯轴参数化, 又可实现齿轮轴的参数化。
2 阶梯轴参数化设计功能实现
2.1 功能介绍
在阶梯轴参数化程序中, 标识类型A-E代表由一阶到五阶, 可随便选择。而且, 对常用的阶梯轴参数, 可将其输入后添加到数据库中去, 下次直接调用既可, 不需重新输入。
在参数化主界面选择了任何一个类型后, 阶梯轴参数会发生相应的变化, 系统会调用数据库相应参数, 如选择类型C, 即要绘制3阶轴, 右侧会出现轴1、轴2、轴3的半径和长度的输入选项, 默认值与参数表的值相同。选择键槽面也会在所选范围之内, 其它参数均为用户手工输入, 其默认值为参数表中相应值。
2.2 凸台拉伸法实现阶梯轴参数化
轴向剖面图是以YOZ面为基准面, 原点为基点, 沿着Z轴负向, 依次根据轴长和半径来确定各个点, 再利用ICreateLine2函数连接各个点, 形成相应的凸台, 最后利用FeatureRevolve函数对凸台进行旋转, 实现动态绘制阶梯轴。
由于本系统可能有1~5阶选项, 设计将界面参数作为实参, 自定义了5个函数,
每次调用对应函数即可。比如, 绘制五阶阶梯轴的函数为MycreateZhou5 (r1, d1, r2, d2, r3, d3, r4, d4, r5, d5) 。
3 齿轮轴参数化设计功能实现
齿轮轴的段数系统设置了最大为5, 选择类型后, 依次输入各段阶梯轴的参数以及齿轮的参数, 或者默认数据库参数, 动态生成齿轮轴。当齿轮参数全为0时, 系统自动生成阶梯轴。
3.1 齿轮轴的参数化设计
齿轮选用的是直齿渐开线绘制法, 自定义函数MycreateChi (double Rb, int z, double thick) , 三个参数分别传递界面中的分度圆半径、齿数和厚度, 利用渐近线绘制方法, 每个齿只取特殊的六个点, 把它们用样条曲线连接起来, 齿根和齿顶用近似直线来代替, 利用FeatureBoss函数沿着Z轴拉伸, 从而成功的实现了齿轮的参数化设计。
3.2 齿轮轴参数化设计
在上述阶梯轴的基础上, 选择一个槽面、齿轮所在轴面, 齿轮的分度圆半径为所在轴的半径, 齿轮的厚度为所在轴的长度, 这两个参数都是根据数据库中各个阶的轴参数而定的, 组合框选择发生变化时, 齿轮的参数会自动发生相应的变化, 齿轮数目为自定义, 系统默认为20。
由于齿轮只能在X O Y面绘制后沿着Z轴正向拉伸, 所以给动态绘制阶梯轴时加大了难度。绘制时, 采用了分段绘制法。以五阶齿轮轴为例, 当齿轮位于第四段时, 自定义三个函数, 第一个函数用来绘制第五段轴, 参数有三个, 为对应轴长、半径及齿厚 (第四段轴长) , 第二个函数MycreateChi, 绘制齿轮, 有三个参数,
第三个函数用来绘制三段凸台形成的三阶轴。
关于键槽的绘制也要相应的作出调整:之前位于轴一的键槽绘制函数只需要键槽的参数和轴一的半径和长度, 因为当时是最靠近基准面的, 但是现在轴一是最远离基准面的, 以五阶阶梯轴、齿轮在轴四部分为例, 轴二上的键槽绘制函数参数明显就变多了, 不仅包含以前函数的那些参数, 还必须要包含轴三的长度。
4 结语
通过对阶梯轴和齿轮以及结合两者设计齿轮轴的参数化设计过程, 深入了解了SolidWorks二次开发的原理与方法。但齿轮轴参数化设计还有以下需要改进。
齿轮的绘制参数不够细化, 仅仅设计到齿数、模数和齿厚三个参数, 也只是针对直齿渐开线齿轮而言, 其余类型的齿轮和绘制方法等模块还有待添加到此系统中来;齿轮轴被分割为了三部分来实现参数化。
参考文献
[1]江洪, 魏峥, 王涛威, 等.SolidWorks二次开发实例解析[M].北京:机械工业出版社, 2004, 2.
[2]王卫荣, 孙金升, 汪国海.参数化设计方法及其在齿轮设计上的应用[J].制造业信息化, 2006 (3) :112～113.
[3]宋率展, 高荣慧.基于VC的SolidWoks键联接模块二次开发[J].制造业信息化, 2006 (3) :118～119.
参数化快速设计 篇4
关键词：Solidworks 表格 参数化 变更
一、参数化设计概述
参数化设计技术符合设计需求。在参数化设计中，将传统的产品固定参数，转变为依据生产需求设置的变量参数值。在设计中赋予变量参数不同数值，就可以得到相似结构，不同尺寸的系列化产品，极大地提高了设计效率，并丰富了产品库。
二、参数化产品设计的应用
一般产品设计从概念创意开始，产品在开发初始阶段，其结构、形状和尺寸都依赖于后续阶段的关联设计，具有一定的模糊性。如果采用参数化设计，则设计的效率和准确性将大大提高。实现系列化产品参数设计，则必须建立基于参数化设计思路的模型。在该模型中，参数化的对象包括模型的几何约束、尺寸约束和方程关
系等。
在参数化设计体系中，设计师要通过参数化的设计方法实现产品设计要求。产品参数化设计中，相关参数一般分为两类：可变更参数和不可变更参数。可变更参数，比如尺寸值等；不可变更参数，比如图元间的几何关系等。产品参数化设计的实质是在可变更参数的驱动下，维护不可变更参数。
三、SolidWorks表格驱动参数化设计应用实例
SolidWorks是一款典型的参数化设计软件，设计用的Excel表格根据模型参数的需要，可以简单或复杂，在设计变更时，设计师通过修改一些参数，进行即时更新，就可以迅速，直观的得到SolidWorks中实时变更设计后的模型，非常便捷。
筆者通过圆柱体三维实体模型参数化设计的实例来说明SolidWorks中Excel表格驱动参数化设计方法。
1.建立模型
使用SolidWorks建立一个圆柱体模型，底面直径为30mm，高度60mm。
2.显示并编辑尺寸名称
将各尺寸的名称显示出来，单击“注解”，在对话框中选择“显示特征尺寸”，单击“查看尺寸名称”；编辑尺寸名称为：“底面直径”和“高度”。
3.设定参数之间的方程关系
设定“底面直径”为“高度”的1/2。注意后期也能在Excel表格设置该方程关系，并不影响参数化设计过程。
4.创建Excel表格
驱动变量是“底面直径”，“高度”尺寸由“底面直径”得到。表格由驱动列表、参数定义和参数说明三部分组成。
5.设置参数区域
在Excel表格中选择“底面直径”这一参数相关的全部参数数值，单击“公式栏”中的“名称管理器”按钮，创建一个新的参数名称为“底面直径”，注意该参数引用为表格范围的相关数值。
6.设置参数区域的关联设计
此处是将驱动尺寸与已经设置的参数进行关联设计，通过下拉框来完成操作。
7.设置尺寸参数间关联
此处要利用Excel表格的公式计算方法来实现。
8.设计“参数变更”控件按钮，用于更新参数导入
单击“Excel选项”按钮，选择“常用”选项，选择“开发工具选项卡”将其激活。单击“开发工具”选项卡，选择“设计模式”，在弹出的对话框中，选择“插入”，然后选择“ActiveX控件”，继而选择“命令按钮”，通过工具设计一个合适大小的按钮，将该按钮的显示名称设置为“参数变更”。
9.编辑按钮的代码
修改按钮的代码方法是在该按钮上双击鼠标左键，在弹出的窗口中，编辑相关代码，主要是添加SolidWorks驱动尺寸参数内容。注意尺寸单位在代码中是m，而实例模型中是mm，所以在代码中数值要除以1000；按钮名称必须与控件名称一致。
10.保存表格文件
操作完成后，将文件保存为xls、xlsm格式，注意不能保存成其他格式。
11.测试参数驱动可靠性
根据设计需求，仅仅需要修改“底面直径”这个驱动参数，就可以关联变更圆柱体模型的“高度”尺寸，从而得到一个新的圆柱体模型。
通过以上实例操作，完成了基于SolidWorks方程式和宏功能以及Excel控件等方法的表格驱动参数化设计。在采用该方法时，首先分析参数化设计的主要需求，根据分析结果，合理地设置参数化的关键位置，并通过以上方法有针对性地进行参数设置，从而解决系列化产品设计的问题。
在SolidWorks新的版本中，参数化功能更为强大，如其方程关系约束中加强了压缩和解压缩的功能，便捷的维护和变更产品几何拓扑变化，提高了参数化设计的能力，逐步向自动化设计的方向发展。另外，新版本的SolidWorks软件还增加了支持记事本的参数读入的新功能。
参考文献：
参数化快速设计 篇5
模具行业是以机械加工工艺、铸造工艺等相关知识为基础、集设计、制造、装配于一身的单件小批量机械生产行为。与传统和一般意义上的加工行业不同,它对相关制作人员———不管是理论基础、实践经验,还是职业素养上都提出了比较高的要求。
在我所就职的公司里,模具种类主要是针对失蜡铸造模具这个方向的模具品种———蜡模具的设计与制做。结合长期的工作经验,在设计和制作模具的过程中提出了一个参数化和同一数据库的概念,经过实践发现其效果很好。
1蜡模具的优势
相比于塑料、锻压、冲压、挤出、吹塑等,模具品种有其自身的独特特点,总结归纳为:蜡模的零件体量不大,其显著特点是壁厚厚薄不一,所以模具的尺寸各部位的收缩率不同,这就给模具三维模型的设计提高了难度。做模的原始设计三维模型在这里是没有用的,通俗点说,客户给的模型、铸造厂给的模具尺寸图只是参考。模具最终成品的尺寸,需是综合多方面考虑因素的结果。
首先,每做模具必须能画出三维模型来,(这有什么不同呢,拿塑料模具来说,设计零件模型按设计最原始尺寸建立,模具按整体收缩率放一次就可以制作模具了,蜡模不管原始设计都必须按模具的收缩完的尺寸完整建立三维模型),因为在设计模型的过程中有时会遇到尺寸链矛盾的情况发生,无三维模型的情况下,靠设计制图者的人工查找,工作量巨大,且难免有遗漏。
再者,由于蜡模模型零件的结构,会产生很多芯轴,抽块,深腔,细孔等一些衍生出来的结构,这样对模具的设计又增加了一定的难度,同时相应的这些特殊的结构部分,也会给加工带来一些不必要的麻烦。比如深腔,在加工上普通加工方式上就有可能把模具在原来的基础上再分层设计制作,或用放电加工的方式进行加工等等。
其次,在模具使用过程中,由于两次收缩引起的铸件不确定因素比较多。因此,模具的变更修改也是这个行业中面临的比较大的问题。
2模具加工中应用参数化数据库统一
在设计和制作模具的过程中提出了一个参数化和同一数据库的概念,通过全参数模型同一数据库模型模块的建立,把参数化设计加工贯穿到整个设计和制造的过程中,很大程度上缩短了模具设计、制造、变更的周期。再通俗点说,全参数模型同一数据库模型就是模具一旦开工,它的后续的制作就成了模式化的过程,傻瓜式的生产过程易于后续的模具的制作和修改。这种过程控制是现代化设计制造的比较先进的模式,在专业上还有另外的一种叫法称为自顶向下的模式。所以说,在模具制造起步阶段的起点是要比较高的,就是说在设计中尽可能要选择一款全参数化的三维软件。
那么回到参数化数据库统一的这个概念上来, 这个概念是什么意思呢?怎样实现的呢?它的优势在哪里呢?又是怎样在工厂实际生产中应用这一原理的呢?通俗一点说,原则只有一个,就是基于设计模型,所有的模块(三维建模,模具设计,加工程序生成,二维图纸,装配运动等等)的数据都从这个原始的模型来,所有设计过程都必须遵循参数化关联的原则,各模块之间应用统一的数据库,在每个设计过程中的每一项操作,实际上都是在对这个数据库进行更新,所以设计开始就强调了参数化的概念。那么这样做最大的好处是什么呢?当设计者在任意一个模块中(这些模块包括:三维建模、模具设计、加工程序生成、二维图纸、装配运动)更改设计特征,那么由于各模块都应用统一的数据库并通过参数进行关联,于是,这个特征更新自动带入所有的设计过程中,实现牵一发而动全身的效果。这样,设计者不会错过任何模块的改动,因为这些改动是关联自动生成的。不会漏改,错改,不用重复任何一个设计过程。 因为这个过程是自动的。
模具加工中应用参数化数据库统一这一原则, 给现行的模具制作带来的优势是巨大的,不但大大提高了模具的工作效率,还避免了大量不必要的工作量和出错的机率。
参数化快速设计 篇6
飞行试验的目的是满足设计需求、提供可靠数据,因此试验机数据处理是不可缺少的重要环节。为了满足定型飞机海量数据的数据处理要求,提出了关键参数快速处理系统的设计思路,并且研制成功、开始应用。
传统的数据处理模式及数据处理流程能够满足当时的试验数据处理要求,但是在ARJ21定型试飞过程中,测试参数激增到了6 000个左右,甚至更多,地面卸载及处理时间大致增长到飞行时间的1.5~2倍[1]。在参数过多的情况下,传统的数据处理模式已经严重制约了试验机试飞效率,并已经无法满足试飞工程师快速获得结果数据的要求。为了能够实现飞行任务结束后的短时间内获得数据处理结果,设计研制了飞行试验机载关键参数快速处理系统,将传统模式下的事后处理改为飞行中即时处理,待飞行结束后即可得到处理结果。关键参数快速处理系统结合了现有成熟的数据处理方法,包含了实时操作系统下具有接收、解包、处理、记录IENA网络数据流功能的实时处理软件,还包括了符合机载环境要求的基于嵌入式多核处理器硬件架构及硬件平台。该系统在成功研制之后,通过了各类例行试验及实验室验证,并在某型运输机的飞行试验中进行了应用验证,其性能指标均达到了实际应用的要求。
1 国内外现状
纵观国外飞机试飞情况,无论是空客的A380、A330、A400M还是波音787,在试飞过程中都非常重视机载实时处理系统的作用。在国外大型运输类飞机的试飞以及基于运输类飞机的特种飞机试飞都无一例外地采用机载实时数据处理系统对整个试飞过程进行实时监控和数据实时处理[2]。如波音公司进行B747、777等飞机的试飞时使用了在当时可谓功能强大的“机载实时数据分析与监视系统”(ADAMS)[3],在长达10多个小时的试飞过程中不仅对一些关键参数进行实时监视,同时在飞机上试飞工程师还可以对部分试验科目进行分析处理,数据处理可达总量的50%~60%。在飞行结束后,还可再借助于地面系统的支持和工程化、系统化地进一步完成试飞数据的处理工作,使得数据处理周期大大缩短。
我国从20世纪80年代末开始,就已经在Y7飞机的定型试飞任务中采用机载实时系统执行实时监控任务[4],但因受到技术的限制,无法实现试验数据的机上实时同步处理,因而在每次飞行试验过程中,仅能使用机载数据记录系统记录所有试验参数的原始二进制码值,并只能待飞行结束后,才能进一步提取出各个课题所需的飞行试验参数数据,延缓了下一次飞行试验计划的制定,也影响了整个飞行试验的周期。
2 飞行试验机载关键参数快速处理系统
据统计,现阶段试验机的测试参数已经达到20 000个左右,加之飞行时间长,机载数据记录文件占用空间大,事后数据处理步骤繁多,导致了数据处理用时长。为了解决这些问题,飞行试验机载关键参数快速处理系统采用了实时操作系统,基于多核处理器的数据处理应用软件架构,实现了机上网络数据的接收、解包,以及实时数据的工程量转换、结果数据的分组记录等功能,完成了关键参数的快速处理。
2.1 系统硬件设计
快速处理系统硬件包含了基于双核1.8 GHz处理器芯片、1 000 Mb/s以太网口的嵌入式计算机,以实现对机载网络IENA数据流的实时采集、解包、校准、计算、分组和存储等功能。机载网络IENA数据流从以太网口输入,由嵌入式系统处理器内核1完成IENA网络数据流的解包,然后将解包后的数据通过DMA方式直接传输至处理器内核2,接着由处理器内核2完成实时数据分析与处理工作,包括参数取位、拼接、工程量转换等,最后传送至嵌入式计算机的RAM中,并由嵌入式计算机将数据结果存盘至固态硬盘SSD中。快速处理系统硬件组成如图1所示,其模块逻辑结构及数据流逻辑关系如图2所示。
2.2 实时处理系统软件设计
系统的软件部分基于Visual C++及Lab VIEW平台开发,其核心的实时数据处理模块采用了目前较先进的嵌入式实时技术,以保证数据处理的实时性和高可靠性[5]。系统采用Pharlap ETS嵌入式实时操作系统。Pharlap ETS是与RT Linux、QNX以及Vx Works V同级别的嵌入式实时系统,广泛应用于航空航天测量控制及仿真领域。另外,关键参数快速处理单元配置软件的全部操作采用了图形化的人机界面,能方便、直接、快速完成机载系统的配置。通过配置操作,关键参数快速处理单元可在开机后自启动,首先完成系统自检,判断系统的工作状态,如果正常则进行下一步工作,同时将设备面板的“工作正常”指示灯闪烁,反之不闪烁。待系统正常启动后,配置计算机将通过网络接口,完成对飞行参数的备份记录及快速处理系统的配置工作,这些工作包括:分析下载带头文件、选择提取参数通道、设定所需参数配置以及系统的各项配置参数。随后软件进入循环连续的数据采集、分析处理与存储流程。关键参数快速处理单元软件流程如图3所示。
关键参数快速处理单元系统软件可分为事先准备软件、采集信息管理模块、实时网络数据采集模块、IENA数据解包模块、实时数据处理模块、实时数据存储模块和数据快速导出软件组成,其结构组成如图4所示。
软件采用模块化设计思想,以功能来划分各个不同的子模块,主要子模块完成的功能及实现方法如下描述。
2.2.1 事先准备软件
飞行试验事先准备软件,通过机载采集信息及监控信息的引入、定义、编辑等操作,生成用于机载实时处理系统、地面实时监控系统、数据预处理系统和数据二次处理系统的SETUP文件。飞行试验事先准备软件由多个独立的模块组成,包括测试参数导入模块、测试参数编辑模块、提取参数名组模块和带头文件生成模块,其功能结构如图5所示。
2.2.2 系统配置模块
系统配置模块运行于配置计算机上,通过网络接口,完成对飞行参数备份记录及快速处理器系统设置工作,例如下载带头文件、选择提取的参数通道、设定所需参数配置以及系统设置的各项配置参数等。系统配置模块的用户图形界面如图6所示。
2.2.3 实时网络数据采集模块
实时网络数据传输模块运行于关键参数快速处理单元中,主要用于完成基于实时系统的网络数据接收及发送工作。机载数据采集终端将采集的数据采用组播方式以基于UDP协议的IENA数据包格式发送至机载测试网络[6,7]。每个IENA数据包以太网帧都是由MAC头信息(14个字节)、IP头信息(20个字节)、UDP头信息(8个字节)、IENA数据包和MAC层帧序检查(4个字节)五部分组成。
2.2.4 网络数据流解包模块
模块运行于关键参数快速处理单元中,依据任务需求,系统可同时完成1 200个动态通道的数据接收和解包。
2.2.5 实时数据处理模块
完成自定义通道的挑选、工程量转换等数据处理工作。
2.2.6 实时数据存储模块
实时数据存储模块用于存储测试过程中记录的试验参数数据,其可使用的数据存储空间不小于250 GB。
3 系统性能及优点
关键参数快速处理系统可以直接建立与机载测试网络的链接,完成KAM4000机载网络IENA数据包的采集与解包[8],支持不低于64位的参数采样率及不少于1 200个通道参数的实时处理,并且能够完成8 h以上不间断采集数据持续记录,且以电子盘作为记录介质,可将结果数据快速导出。同时,系统可根据预先加载的SETUP文件和参数组文件完成对实时接收的机载网络数据包进行解包和参数挑选,进而完成计算任务。计算包含了线性、多项式、双曲线、抛物线、点对分段等多种工程量转换算法,还可完成直线、双曲线、抛物线、点对和多项式等校准工作。
该系统已经经过Y7飞机的科研试飞验证,验证表明:数据准确、稳定可靠。传统的数据事后处理模式需要以下四个步骤:解原始包、数据分路、位流分析和数据预处理,以ARJ21试验机飞行3 h为例,完成事后预处理的时间大致在5~6 h,而采用快速处理模式可以在0.5 h内让试飞工程师拿到预处理结果数据,大大提高了试飞效率。
基于以上良好的系统性能,快速处理系统突破了过去传统的型号数据处理模式,不需要经过地面卸载及位流分析,做到了飞机落地即可进行数据分析,大大提高了试飞数据处理效率。由于数据处理模式的改进,在系统的研发过程中,专门针对飞行试验网络数据制定了标准数据处理流程、接口定义文件等,形成了较完善的飞行试验网络化数据处理标准,用以配套网络化测试系统在行业内的推广。同时,关键参数快速处理单元采用预先分配内存技术,使用时间戳索引完成数据包时间的快速对齐,确保了关键参数数据处理结果在时间上的一致性。另外,系统在网络层上采用了访问控制列表(ACL)技术,通过匹配KEY字方式,将需要的数据包路由到指定端口输出,解决了高码率传输过程中的易丢包难题。
4 结语
飞行试验机载关键参数快速处理系统基于对机载测试设备的深入分析研究,以飞行试验信号产生源KAM4000机载测试系统为切入点进行设计研发,采用了嵌入式多核处理器为硬件架构平台、实时系统为软件支撑环境,解决了飞行试验IENA数据采集、关键参数数据分析处理及连续不间断存储的难题。由于系统结合了嵌入式多核处理器硬件技术低功耗、小尺寸和高性能的硬件特性,及实时系统软件良好的实时处理特性,从而保证了关键参数快速处理单元从数据采集、处理到数据存储的实时性。同时,快速处理系统可以实现多路信号的实时监控,以针对不同试飞科目生成对应的结果文件,并在配置选项上,能够实现算法选择、处理参数选择以及数据处理结果存储格式选择。另外,快速处理系统相较于机载记录系统,增加了数据预处理功能,可以直接获得物理量,增强了维护性。
飞行试验机载关键参数快速处理系统不仅适用于飞行试验数据的快速处理,同时还可以应用到航天、舰船以及航空工业其他领域中,以作为装机的机载测试设备。
摘要：飞行试验过程中,关键参数的快速处理已成为国内外试飞机构争相解决的重要技术。在试验机的机载实时系统中增加关键参数快速处理单元,不需经过地面原始数据下载及位流分析等操作,利用空中飞行时间,在机上完成部分数据预处理及结果分组存盘,确保试飞工程师在飞行结束后可以直接对数据处理结果进行二次分析。关键参数快速处理单元解决了海量试飞数据处理的技术难题,对提高单次试飞效率及缩短型号试飞周期具有重要意义。
关键词：试飞测试,数据处理,机载设备,IENA
参考文献
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[7] 柴敬安，廖克俭，张红朋，等.LabVIEW环境下的虚拟数据采集与分析系统[J].自动化仪表，2007（zl）：180-181.
参数化快速设计 篇7
建筑设计及装饰是一门以表现表达空间的为目的学科,在这个过程中我们通常需要处理一些几何学和数学问题。在建筑学的历史中,不同类型的建筑风格呈现给了我们多种多样的几何形式及与之相关联的逻辑性,而且每个时期都有处理这些几何学问题的方法。自从计算机开始辅助建筑设计以来,对于模拟空间和相关几何问题,它便成了整个设计过程中不可或缺的一个组成部分。计算生成的几何形式成为一个有趣的研究课题,编程算法与几何学算法相结合的学科被称作生成算法(Generative Algorithm),尽管许多3D软件可以帮助模拟几乎所有的空间形象,但是生成算法的观念才正在为设计行业提供可能性,就像建筑设计领域中的“参数化设计(parametric design)”。
基于Rhinoceros平台的Grasshopper是一个较为直观、代码呈现较少的参数化建模插件,目前被广泛使用。作为一种比较新的编程插件,他借鉴了Quest3D等虚拟现实开发软件的可视化编程方式,为用户提供了以计算机程序的逻辑来组织模型创建和调控操作,在参数化建模的推动下,Grasshopper的出现是由于Rhinoceros用户对于编程功能与性能方面的需求,对参数化建模理论与技术的推广也起到了极大的推动作用。
参数对指定应用而言,它可以是赋予的常数值;在泛指时,它可以是一种变量,用来控制随其变化而变化的其他的量。统计学中是用来描述总体特征的概括性数字度量,它是研究者想要了解的总体的某种特征值。在数学中,参数思想贯彻于解析几何中,对于几何变量,人们用含有字母的代数式来表示变量,这个代数式叫作参数式,其中的字母叫做参数,用图形几何性质,与代数关系来连立整式,进而解题,同时,参数法,也是许许多多解题技巧的源泉。
Rhinoceros作为参数化建模的平台具有以下特点:
(1)Rhinoceros建模准确,对于异形化的建筑及装饰构件,Rhinoceros生成的模型能直接交给厂商进行生产而不必重新建模规划尺寸。Rhinoceros的CAD特性也使它能与当前流行的其他建筑设计软件进行良好的衔接。Rhinoceros提供了很多可以不受约束的创建NURBS曲线、曲面和实体的自由造型3D建模工具,可以用来建立任何可以想象的造型而且所得模型不受复杂度、阶数以及尺寸的限制。
(2)支持各种模型格式及快速修改
Rhinoceros带有强大的2D或3D的图形或模型的转换程序,提供与现在大部分主流3D软件的接口。其支持格式包括IEGS、DWG、DXF、OBJ、JPG等多种格式。Rhinoceros自带的历史记录工具和参数化插件还能实现某一构件发生改变且其他相关构件也随之自动修改的关联式修改。
(3)参数化及扩展平台
这也是Rhinoceros最具魅力的特性。Rhinoceros与Rhino script和Grasshopper参数化插件相互协作工作已经使Rhinoceros平台成为目前参数化设计领域的主力平台。Rhino script和Grasshopper等动态直观的可视化参数化编程工具对参数化领域而言具有革新意义,设计师们摆脱了枯燥繁复的计算机代码的限制,开始可以以一种直观、友好、互动的方式来进行参数化建筑设计的探索。同时,得益于架构在Rhinoceros底层的出色扩展平台,更多优秀的、有创意的插件也正在凸显和被完善中。
参数化设计的内在逻辑在此可以帮助我们作为另一种设计方法的出发点,其中之一就是参数化模型的几何学严谨性最初可以在单个部件范围内下整合制造业上的限制、装配逻辑和材料特性,进而增殖这些单个部件以形成更为复杂庞大的系统和集合。这种方式利用对参数化的可变性的探索来理解这种系统的内在行为并且利用这种理解来制定相应的策略以使系统能够良好反馈整个环境状况和外在力量。
Rhinoceros Grasshopper参数化建模与建筑设计
在众多的现代建筑设计大师中,其作品与参数化建模关系比较密切的是扎哈.哈迪德。进入21世纪后,参数化建模技术逐渐被扎哈的设计事务所接受,参数化逐步形成了一种思想,参数化主思想。帕特里克.舒马赫称之为参数化主义。参数化主义依靠参数化技术得以实现。
参数化设计使建筑元素成为了软性的、可流动的、具有可塑性的。传统建筑是由立方体、金字塔形。圆柱形等基本元素构成,形体之间是缺乏联系的、孤立封闭的。参数化建模下的几何体是由曲线、NURBS曲面、细分曲面等构成,将建筑塑造成了一个相互关联、联系的整体。建筑形态发生了本质的变化,摆脱了那种生硬、呆板的感觉。帕特里克.舒马赫主张建筑形态的的可属性、关联性、渐变关系等,避免僵硬的三角形、圆形、简单的阵列、无联系的并置等。
扎哈·哈迪德的作品广州歌剧院是一个成功的案例。它全面的体现了参数化主义及参数化模型设计。设计师通过类比的手法把主体建筑设计与环境景观设计关联起来,以产生一种嵌入性。将景观元素渗透到建筑形体和建筑空间当中,以动态的建筑空间和形式、模糊边界的手法形成功能交织,并使之有机相连,从而实现空间的持续变化和形态交集。将建筑的内部、外部直至城市空间看作是城市意象的不同但连续的片段,通过刻意的切割与联接,使建筑物和城市景观融合共生。使室内与室外、建筑与景观之间,形成一种融合共生的关系,仿佛是城市意象的不同但连续的片段。
广州歌剧院建筑有上百个面,每个面都以不同的角度相互连接,很多专业人士都无法找出它的结构规律,最初的设计方案就是借助参数化建模实现的。广州歌剧院内部空间结构的高度复杂以及各项设计细节的特殊性,装饰设计施工方案的有效解决成为首要的问题,LG公司利用参数化建模软件找到了最佳解决方案,实现了将传统用于厨柜台面的LG实体面材,用在异型装饰墙面。
扎哈的好多作品都与参数化设计联系密切,在国际上享有声誉。盖达尔.阿利耶夫文化中心是阿塞拜疆的一个重要的地标性建筑,是参数化设计的一个成功案例,造型优雅飘逸。这个建筑物形体复杂,总共由12027块面板组成,这些面板拼成了九十千米的建筑外观。12027块面板是完全不相同的,每块尺寸都不一样,如果依靠传统的图纸进行逐块地绘制,工作量太大难以完成,只能通过引用三维建筑信息模型以及参数化编程控制技术去解决异性建筑构件的设计信息输出问题。在建筑模型的生成阶段,参数化设计为每一个幕墙单元生成唯一的编码,通过编码数字来控制幕墙的参数信息,然后将三维模型及数据提供给厂家,厂家根据这些设计数据重新设计组织生产工序,进行样本设计,完成信息提取工作,生成最终的生产参数。这样,每个构件都能找到自己的固定位置,提高施工效率。参数化建模设计打破了传统的建筑设计观,促进了建筑形态的多元化发展。
参数化设计与教育
随着科技的发展,人们的建筑设计观也在发生变化,传统的建筑类教育方式已经不能满足现在社会的需要了,现在的建筑教育更注重计算机技术,智能,思维方式正在突破原来的框架模式。使用参数化建模辅助建筑及装饰设计最初源于国外一些建筑院校在建筑教学上的实践,例如英国的伦敦AA建筑学院、美国的哥伦比亚大学和麻省工学院等国外一些建筑院校,现在中国的一些知名学校也在进行参数化设计的研究,已经用于了教育实践中。
国外的大学有很多成功的范例,如:瑞士苏黎世联邦工学院在参数化设计方面取得了很大的成绩,他们进行了跨学科的研究,让传统建筑材料更有生命力。英国的建筑联盟学院的一些机构在参数化建筑设计方面与扎哈的事务所紧密联系,密切合作,相互促进。参数化设计已经在全球范围内推动了每一所建筑院校的转型,在建筑院校参数化设计技术是建筑教育的一个重要方面。很多国内的建筑院校也在逐步接受参数化设计,但是仍然有一部分保守的人,还在使用传统的设计方式,实际上阻碍了学生的发展。教育也应该与时俱进,紧跟时代发展的步伐,对新的技术要尽快的去接受。现在,我们的参数化设计环境还很不成熟,参数化设计被认为是只是用来实现某些特定的形式和表皮,这是一种错误的认识。
现在我们国家很多建筑专业的学生都面临着很大的挑战,许多建筑设计事务所要求应聘者能够使用Grasshopper,然而现在许多高校只是认识到了参数化设计的重要性,并没有开设这类课程,我们确实应该有前瞻性思维,让建筑教育能够应对未来的挑战。当前国际大环境下,为了满足市场需求,在几个大城市出现了一些参数化设计的培训机构,水平也参差不齐,大多都是短期培训,离真正掌握参数化设计还有很长一段距离。
参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度,在建筑设计、相似设计等方面都具有较大的应用价值。目前,参数化设计中的参数化建模方法主要有变量几何法和基于结构生成历程的方法,前者主要用于平面模型的建立,而后者更适合于三维实体或曲面模型。
在参数化设计系统中,设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些设计要求,不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值,而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系,即将参数分为两类:其一为各种尺寸值,称为可变参数;其二为几何元素间的各种连续几何信息,称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下,系统能够自动维护所有的不变参数。因此,参数化模型中建立的各种约束关系,正是体现了设计人员的设计意图。
AutoCAD的参数化设计运用 篇8
选择AutoCAD的程序语言Visual LISP进行参数化设计的另一个原因是,尽管建筑设计教育越来越摆脱工艺和技术限制的陈旧观念,建筑的建造技术在近几年明显的提高了很多,但生成方法及设计手段的提高依然需要在工艺、科技和方法等方面进行深入的实践和研究。我们可以使扎哈设计的曲面建筑得以建造,但是目前的建造技术还完全没有达到让人类随心所欲建造的程度。在计算机辅助设计过程中,设计者要做的就是服从于生成方法能做什么,生成方法不能做什么的限制。对于建筑系学生而言,AutoCAD是比较熟悉的软件,而且它的直线化的思路,更符合绘图者的习惯,是他们容易上手的选择。在这一点上,对广大没有接触参数化设计的建筑师,也是一个不错的开始。
这次设计,是上海交通大学2年级第二学期的建筑设计及原理(1)的课程设计:校园候车站综合体设计,在交大闵行校区西区原班车候车室位置,拟重新建造一座兼顾教师、学生等候班车、休息、交流的综合性建筑,总建筑面积900m2。本设计分为3个阶段:1、基地初步调查与分析:对基地与场所的特性进行收集和描述;2、基地深入调查提取设计概念:理性、敏感、具体地分析基地,进而提取设计概念;3、设计展开。
这次设计的训练目的是关注基地与场所,对于基地的分析是设计中非常重要的一步。笔者所带的设计者,从基地分析开始,就对基地的水杉林很感兴趣,并测量了大量的基地信息,包括水杉的间距、水杉竖向的空间形状、水杉周边空间的变化、鸟的栖息与树高的关系等。设计者希望可以用走廊这种交通方式把建筑和它周围的树木很自然的连接在一起,通过走廊让人们这一刻在建筑中,下一刻便进入了树林,通过走廊使人们不断的穿梭在建筑与树林当中,而且可以使人们很近距离地观察树木。在逐步的讨论中,方案向着“在水杉中的建筑”方向发展,因为基地除了个别比较大的间隙外,大部分水杉的间距都较小,建筑必须要“走廊化”,才能充分地利用水杉的空间,因此“走廊”成为了这次设计中建筑的一个最主要的特征。
Peter G.·Rowe说:“依我看来,最终的设计结果往往取决于设计者在设计前预先采取的立场及观点。”[2]对于参数化设计而言,定制一个函数、设置合适的变量,就是“设计预先采取”的立场。从这个角度讲,参数化设计的开始是整个设计过程中最困难的一步,如何选择参数成了这次设计的关键,一旦函数关系和参数变量定下来,后面的设计展开似乎就只在做选择题而已。因此如何生成“走廊”就成了这次设计的关键点,而“走廊”的关键是两侧的控制点(我们这样的假设,是以曲线和直线在走廊的生成上仅仅是形式上的差异为前提的),基于此,设计者重点测量基地可用的控制点,这些点以水杉树干为中心,平台(也就是上文提到的控制点)将搭建在水杉树的周边,以此同时,竖向空间的可用性,也成了设计中数据的重要部分,这部分包括了树干的高度,树冠的半径变化等。经过这些分析和数据的整理,得到了如下的静态数据表格(-54474.5 40791.9 0 4000 900012000),表格中的第1、2个数值是X、Y的值(这个坐标通过电脑扫描现场测绘图纸,在AutoCAD中利用Visual LISP程序,将扫描绘制的树干圆点的坐标按照相对坐标系读取,并输出成数据文件,这一步也是AutoCAD区别于其他参数化设计软件的一个特色),第3、4个数据是树干可利用空间范围,第5、6个数据是树冠可利用空间范围,这里所说的“可利用空间范围”是指可以搭建建筑平台,且不影响植物生长的空间范围。除了这些静态数据外,还有一些是可变的数据,也就是“参数”,它可以根据设计者输入的不同数值,影响最后建筑的生成形态,这些数据包括随机生成的平台高度方向上的移动步长模数(类似于AutoCAD中的snap的概念);需要最后生成建筑的走廊数量,这个数量将会决定建筑的复杂程度。
整个程序生成结果如上3张图,图1走廊数量为18,步长模数为1000mm,走廊宽度为1000mm;图2走廊数量为39,步长模数为400mm,走廊宽度为1000mm;图3走廊数量为9,步长模数为600mm,走廊宽度为1000mm。从这三张图中,我们可以明显地感受到随机性带给设计师选择的多向性和迷茫性,而实际的生成结果有接近1000个不同参数的模型,这也是参数化设计的魅力所在。
以下是程序内容(以下红字部分是程序,在AutoCAD2009的Visual LISP中通过测试):
在这个程序中,首先有两个子函数。
第一个子函数RND的作用是:将一组数,随机排列并返回表,例如5,随机生成(3,4,2,1,5)。
第二个函数RNDLIST的作用是:将一个表内的数据顺序打乱。
以下是主函数
在生成多个不同参数的模型之中,设计者进行了筛选,筛选主要是依据设计师的主观感觉,将多种可能结果导入SKETCHUP中,见图4,红色部分为走廊,将走廊数量过多,过少,或者被树木挡住的,以及没有穿过主要体块空间(这里的主要体块是指水杉林中2块比较大的空地,它将成为建筑主要功能空间)的可能性去除,后面的建筑细化过程,就依照常规的设计手法进行,阶段成果见图5,设计者将走廊转化为透明玻璃体的建筑形式,延续了走廊的特征。
从这次设计过程看,我们强调让建筑的自己生长出来,从务实的角度,对基地分析进行量化处理,并通过数据的整理和参数化控制,随机产生控制建筑形态的基本三维点。
特别是用AutoCAD软件,这个大部分建筑师都很熟悉的软件来生成建筑的雏形,从而让建筑的初期形态的研究有更强大的工具支持。
用AutoCAD来进行参数化设计,除了在方案阶段的建筑雏形研究外,还可以在立面开窗位置,形体不规则变化等细化方案阶段有很好的运用,并且AutoCAD建模技术可以用来描述建筑施工过程[3],对于建筑的感性因素可以达到理性的控制。在位于英国伦敦克佑皇家植物园内的树冠步行道设计中,设计者已经将参数化设计延伸到了节点的设计当中[4],在建筑建造之前,建筑师先将建筑搭建一遍,对于所有建筑师而言,这都是非常重要的体验。
除此之外,AutoCAD的编程分析,对于不同软件间数据的接口,有更好的兼容性,而且还可以让包括规划要求、市政条件、日照影响、地形因素等可能影响建筑设计的条件,可以顺利地在DWG文件中进行编辑和计算,但它的不足也在于AUTOCAD软件在NURBS方面的不足,相信不久的将来AutoCAD会在这方面有改进,我想到时候利用它来进行参数化设计会更自由、更复杂。
参考文献
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参数化快速设计 篇9
关键词：AutoLISP DCL 参数化设计；齿根过渡圆弧半径；隐式超越方程
前言
齿轮传动是机械传动中最为常见的机构之一，其中渐开线齿轮应用最广。渐开线齿轮具有传动比准确、传动效率高等优点，在工程实际中被广泛采用。但因渐开线齿廓的复杂性，简单的利用AutoCAD只能借助直线或圆弧拟合渐开线，很难实现渐开线齿廓的精确造型，应用AutoCAD提供的AutoLISP、DCL等二次开发工具为这一问题的解决提供了便利条件。利用AutoLISP在AutoCAD中生成渐开线，合理地结合DCL语言可以方便、快速地实现渐开线齿轮的参数化造型，并对输入参数进行核算，还能根据需要绘制齿顶倒圆和齿根过渡圆弧等，从而大大提高了齿轮参数化设计的工作效率。
1.什么是AutoLISP和DCL
AutoCAD是大家再熟悉不过的绘图软件了，但说到AutoLISP和DCL，恐怕连一般经常用AutoCAD设计的人也会感到陌生。那么，AutoLISP和DCL又是什么呢？
其实，AutoLISP作为嵌入在AutoCAD内部的具有智能特点的编程语言，是开发应用AutoCAD不可缺少的工具。利用它能够实现自动计算、分析、绘图、数据交换等功能，还可以在AutoCAD中定义新命令，为AutoCAD扩充具有一定智能化、参数化的功能，使设计人员的主要精力用于产品的构思和创新设计上，实现真正意义上的计算机辅助设计。简单地说，AutoLISP是AutoCAD进行用户化、专业化二次开发的一个主要工具。[1]
自R12版本开始，AutoCAD就已经实现了人机交互，很多命令通过对话框来完成则更加直观。因此DCL应运而生。DCL是对话框控制语言（Dialogue Control Language）的简称，对话框形象、直观，可以随意输入、随时修改，鼠标、键盘并用，是一种深受用户欢迎的界面。DCL具有语法简单、编写容易（任何文本编辑器均可编写）、通用性好（适用于各版本的AutoCAD平台）等优点。[2]
参考文献：
[1]曾维川，王金敏.AutoCAD R14 繪图基础.天津：天津大学出版社，2000.260～274
[2]吴永进，林美樱.AutoLISP & DCL 基础篇.北京：中国铁道出版社，2002.286～316
[3]张民安.圆柱齿轮精度.北京：中国标准出版社，2002.143～152
[4]王洪欣等.机械设计工程学.徐州：中国矿业大学出版社，2001.135～157
基于UG曲线参数化设计 篇10
1 UG参数化设计介绍
UG中的表达式 (Expression) 是算术或条件语句, 它可以用来控制同一个零件上的不同特征间的关系或一个装配中的不同零件间的关系。表达式可分为三种类型:数学表达式、条件表达式、几何表达式。在创建表达式时必须注意以下几点:表达式左侧必须是一个简单变量, 等式右侧是一个数学语句或一条件语句;所有表达式均有一个值 (实数或整数) , 该值被赋给表达式的左侧变量;表达式等式的右侧可认是含有变量、数字、运算符和符号的组合或常数;用于表达式等式右侧中的每一个变量, 必须作为一个表达式名字出现在某处。
其中, Length为表达式的名称, 代表的值为0.5。
2 坐标系
UG系统中默认中坐标系是笛卡尔坐标系统 (Descartes Coordinates) , 并且遵守右手准则。它由原点X轴、Y轴、Z轴组成。构建复杂多样化的曲线通常会用到圆柱形坐标、球形坐标, 很多3D软件都支持它们创造表达式, 但UG是个例外, 它只支持用直角坐标来创建表达式, 因此我们在画图的时候一定要先把圆柱坐标 (包括极坐标) 、球坐标表达式转换成直角坐标的表达式, 这样UG就能识别了。圆柱形坐标属定点方式, X值是点到Z值的距离, Y值是线与XZ平面的角度, 而线就是点与Z轴的最短距离的线段。Z值和直角坐标系一样, 是个常量。如图1所示:
球坐标较少用, X值为点到坐标原点的距离, Y值为点与原点连的线Z向投影到XY平面后 (图2中黑色虚线) 与X轴或与XZ平面的夹角, Z轴在这里表示角度, 这个角度是线与XY平面的夹角, 线即为点与坐标原点的连线。
3 公式转换
要使曲线的数学公式转换成成UG格式, 即转换为expression (表达式) 。在UG里面不能直接输入x, y, z, 要输成xt, yt, zt。
首先介绍极坐标的曲线方程, 以下是一个手掌曲线表达式的例子:
其中, t为内部变量, 它的变化范围为0~1, 这个参数是必须存在的。theta指的是相位角, 通常称为西塔。r为曲线的弧度, 5为手掌曲线的大小。以上表达式是一个极坐标, 我们需转换成直角坐标系:
xt, yt分别为直角坐标系的x、y值, 随着t值的变化而变化, 因该曲线在z轴上没有距离, 我么可以用常量表示。如图3所示:
其次介绍球坐标下的曲线方程, 如下球面螺旋线:
其中, t同上, 在求坐标系中, rho指二次曲线的曲率 (饱满度) , 一般取值在0~1间, phi是指坐标原点到坐标点连线和Z轴的角度, theta是指坐标原点到坐标点连线和XY平面的角度。如图4所示, 转换成直角坐标系的方程为:
4 拓展
根据不同的数学方法, 根据类似的方法由曲线方程可以获得如下不同的曲线
5 结论
通过曲线用表达式方法来绘制, 可以满足多种特殊曲线的需要, 同时绘制较精确。可以更好的进行产品建模、数控加工、机构的运动分析。同时可以减少重复的修改工作, 提升产品设计、加工效率。
摘要：介绍了在UG软件下曲线方程式表达式的必要性, 叙述了在三种坐标系下方程表达式的转换过程。
关键词：UG软件,曲线,表达式
参考文献